ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ГЛУБОКОВОДНОЙ ТЕХНИКИ ИЗ СТЕКЛОМЕТАЛЛОКОМПОЗИТА
В. В. Пикуль, докт. физ.-мат. наук (ДВГТУ) удк 629.5.024-033.5:624.046.5
Стекло и стеклокерамика по показателям удельной прочности на сжатие и удельной жесткости намного превосходят такие конструкционные металлы, как сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Однако стекломатериалы обладают низкой прочностью на растяжение, низкой контактной прочностью, очень чувствительны к концентрации напряжений и ударным нагрузкам, что практически сводит на нет их достоинства. Существенное повышение ударостойкости является ключевой проблемой на пути практического использования стекла и стеклокерамики в конструкциях ответственного назначения.
Низкая ударостойкость стекла связана с наличием у него многочисленных поверхностных микротрещин. Еще в 20-х годах нашего столетия А. Ф. Иоффе установил, что при устранении поверхностных микроскопических дефектов прочность твердых тел повышается в сотни раз. С этого времени устранение поверхностных микротрещин является самым радикальным средством повышения прочности и ударостойкости изделий из стекла. Даже простое механическое смыкание поверхностных микротрещин приводит к многократному повышению прочности и ударостойкости стекла. Так, закалка листового стекла позволяет за счет обжатия поверхностных слоев повысить ударостойкость в 5— 7 раз, статическую прочность — в 4—6 раз и термическую — в 2 — 3 раза [1]. Большой эффект дает глубокое обжатие стекла, а при всестороннем обжатии оно переходит в упругопластическое состояние. При двумерном обжатии, вследствие уплотнения материала, происходит существенное повышение ударостойкости за счет сжимающих напряжений. Испытания, проведенные в США, показали, что взрывостой-кость стеклянных полых сфер повышается с увеличением глубины погружения: на глубине 6300 м со-
противление оболочек действию ударных нагрузок в 5 раз выше, чем на поверхности [2].
Высокая прочность стекла и стеклокерамики на сжатие вселяет оптимистические надежды на их использование в глубоководной технике в качестве конструкционного материала прочных корпусов. Пик исследований по применению стекло-материалов в глубоководной технике пришелся на 60-е годы XX века. Казалось, что решение задачи не за горами, но чем глубже вникали в проблему создания прочных корпусов глубоководной техники, тем больше препятствий появлялось на пути ее решения. К проблеме повышения ударостойкости стекла добавилась проблема создания крупногабаритных корпусов. Известно, что в процессе стеклования стекломатериал приваривается к форме, если она разогревается до температуры 500—600 оС [3]. Преодолеть это явление при изготовлении крупногабаритных корпусов пытались путем создания композитных оболочек, в которых внутренний слой из склеенных стеклянных сегментов заключается в пространство между тонкими металлическими обшивками [4]. Однако при этом возникли осложнения, связанные с подготовкой и подгонкой друг к другу стеклянных сегментов. В конце концов оптимистические ожидания сменились глубоким разочарованием, и установилось мнение, что область применения стекломатериалов в глубоководной технике ограничена малогабаритными корпусами.
Однако идея использования стекла в качестве конструкционного материала крупногабаритных прочных корпусов остается столь же привлекательной, как и в 60-е годы. Новый способ изготовления оболочек прочного корпуса из стекло-металлокомпозита [5] возрождает прежние надежды. В основу этого способа положены известные свойства стекломатериалов и методы повышения их статической и дина-
мической прочности. Стекломате-риал входит в состав трехслойного композита, в котором он находится в виде слоя между растянутыми обшивками из металлов. В зависимости от назначения оболочки используются различные марки стекла и стеклокерамики с разными металлическими обшивками, растянутыми до требуемых величин, вследствие чего происходит обжатие стекломассы в процессе ее формирования, что препятствует образованию поверхностных микротрещин и приводит к уплотнению стекломассы. Обжатие стекломассы осуществляется за счет более интенсивного сокращения размеров металлических обшивок при остывании композита. Мера обжатия регулируется разницей в коэффициентах температурного расширения слоев композита путем специальных добавок в жидкую фазу стекломассы. Надежность соединения слоев композита между собой обеспечивается определенным уровнем температуры и состоянием поверхностей металлических обшивок в период стек-лообразования внутреннего слоя.
Возможность изготовления крупногабаритных оболочек обусловлена термопластичностью стеклома-териала. При использовании композитных оболочек в качестве материала прочного корпуса глубоководной техники обжатие стекло-слоя доводится до уровня, при котором работоспособность металлических обшивок (за счет работы в области растягивающих деформаций) повышается вдвое по сравнению с цельнометаллическими корпусами. В наземной, подземной, воздушной и космической технике мера обжатия стекломатериала ограничивается устранением поверхностных микротрещин. Более подробное описание способа изготовления композитной оболочки, предназначенной для глубоководной техники, дано в работе [6].
Рассмотримм эффективность применения стеклометаллокомпози-та в глубоководной технике на примере прочного корпуса обитаемого подводного аппарата длиной 10 м и диаметром 4 м, состоящего из цилиндрической оболочки с полусферическими оконечностями. Толщины слоев стеклометаллокомпозита по-
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2000
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
Таблица 1
Основные оценочные характеристики прочного корпуса подводного аппарата из стеклометаллокомпозита
Вариант Рабочая глубина погружения Н, м Масса, т Объем V, м3 Удельная плотность Положительная плавучесть, т
1 6000 48,00 84,21 0,570 36,21
2 8000 59,00 85,44 0,691 28,66
3 11400 66,45 88,33 0,752 24,17
добраны таким образом, чтобы исключить применение шпангоутов. В качестве материала стеклокомпо-зита принята свариваемая сталь НУ-230, которая используется в подводном кораблестроении США [7], и ситалл СТМ-1 [4]. Оценка прочности и устойчивости прочных корпусов произведена на базе теории слоистых оболочек вращения [8] с учетом принятых в судостроении методик и норм прочности [9]. В табл. 1 приведены основные характеристики трех вариантов прочного корпуса, в том числе для предельной условной глубины погружения (наибольшая глубина океана в Марианской впадине считается равной 11 034 м [2]).
Если габариты рассматриваемого прочного корпуса из стеклометаллокомпозита увеличить в 10 раз, то его грузоподъемность, согласно выполненным расчетам, увеличится соответственно от 4 830 т на глубине 6000 м до 29 800 т на глубине 11 400 м. Отсюда следует, что применение стеклометаллоком-позита в глубоководной технике способно решить проблему освоения предельных глубин Мирового океана. При использовании в качестве обшивок стеклокомпозита листов высокопрочного титанового сплава весовые характеристики прочного корпуса улучшаются [6]. Однако титановый сплав дороже стали. Поэтому его применение может быть оправдано лишь в тех случаях, когда решающее значение для конкретного вида глубоководной техники имеют весовые характеристики прочного корпуса.
Оценка экономической эффективности использования стеклометаллокомпозита для прочных корпусов глубоководной техники произведена путем соответствующего сравнения с высокопрочными титановыми сплавами. С учетом затрат на отработку технологии изготовления стеклометаллокомпозита стоимость 1 т ситалла СТМ-1 принята равной 500 дол., 1 т высокопрочной стали НУ-230 - 1100 дол., 1 т высокопрочного титанового сплава — 12 500 дол. [7].
Достаточная положительная плавучесть прочного корпуса из высокопрочного титанового сплава обеспечивается до глубины 6000 м [10]. При больших глубинах прихо-
дится увеличивать массу титанового корпуса настолько, что появляется потребность в дополнительных объемах плавучести. Обеспечить их в настоящее время позволяет синтак-тик, представляющий собой полые стеклянные микросферы, размещенные внутри полимерного связующего. Известны марки синтактика, применимые на глубинах свыше 6000 м. Так, американская фирма Буг1есЬ выпускает синтактик, предназначенный для работы на глубине 8000 м, который имеет плотность 0,608 т/м3. Его стоимость 28 250 дол./м3.
В табл. 2 приведена стоимость материалов прочных корпусов, рассчитанных для работы на глубинах 6000 и 8000 м.
Из табл. 2, видно, что даже без применения дополнительных объемов плавучести стоимость прочного корпуса из высокопрочного титанового сплава превышает стоимость прочного корпуса из стеклометаллокомпозита почти в 18 раз, при этом удельная плотность титанового корпуса оказывается выше в 1,21 раза. Применение синтактика для повышения плавучести титанового корпуса, предназначенного для глубин порядка 8000 м, представляется нецелесообразным из-за его высокой стоимости и почти 5-кратного увеличения объема.
Данные табл. 1 и 2 позволяют сделать вывод об уникальности сте-
клометаллокомпозита: повышение прочностных свойств конструкционного материала сопровождается снижением его стоимости, что открывает большие перспективы для его применения.
Конструкционные материалы, обладающие высокой удельной прочностью при относительно низкой стоимости, представляют интерес не только для глубоководной, но и для воздушной и космической техники, судо- и трубостроения, гражданского строительства и в других областей техники.
Промышленностью выпускаются стекла различного назначения: химически стойкие, защищающие от проникающей радиации и т. д., что позволяет изготовлять оболочки из стеклометаллокомпозита со специальными свойствами, использование которых приведет к резкому повышению эксплуатационных свойств нефтегазопроводов, резервуаров для захоронения радиоактивных отходов и т. п.
Важное значение имеет также высокая технологичность изготовления и промышленной переработки оболочек из стеклометаллокомпозита. Для этого может быть использована промышленная технология производства стекла и стекля
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.